面結構光的貨車側面防護裝置安裝尺寸的測量

何洋洋,郭天太,王英軍,孔 明

(中國計量學院 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

面結構光的貨車側面防護裝置安裝尺寸的測量

何洋洋,郭天太,王英軍,孔 明

(中國計量學院 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

提出一種基于面結構光的貨車側面防護裝置尺寸測量方法.即采用激光三角法原理,利用投影裝置產生條紋狀結構光,投射到貨車側面,結構光信息被視覺裝置采集后由計算機處理,計算機通過結構光的條紋信息,實現(xiàn)貨車側面防護裝置及車輪的空間三維信息反演,從而實現(xiàn)貨車側面防護裝置尺寸測量.該方法避免了在普通機器視覺方法貨車側面防護裝置檢測中，由于車輪和防護裝置與視覺裝置的距離不同帶來的測量誤差.在系統(tǒng)設計的基礎上,搭建了實驗平臺,進行了實驗研究.由實驗結果可知,采用本方法的貨車側面防護裝置尺寸測量誤差小于3 mm,而原有視覺方法測量精度為10 mm,可見本方法的測量精度遠高于原有方法.

面結構光;條紋狀結構光;側面防護裝置;尺寸測量

貨車側面防護裝置是防止行人、騎電瓶車者被卷入貨車底部造成重大傷害的重要防護措施,根據(jù)相關國家標準,防護裝置到貨車前/后車輪、車架及地面的距離應小于300 mm、350 mm及550 mm.但是目前國內對貨車側面防護裝置安裝尺寸的檢測方法主要是人工查驗,采用鋼卷尺或直尺進行測量,來判斷是否符合國家標準[1-2].國外主要是根據(jù)強度試驗裝置對側面及后下部防護裝置進行安裝尺寸和剛度的檢測[3].本課題組前期提出機器視覺方法,對經過收費站的所有貨車側面攝像,并采用圖像處理技術實現(xiàn)貨車側面防護裝置安裝位置的實時檢測,提高了檢測效率,降低了人員工作強度.但是機器視覺方法檢測時,由于貨車防護裝置、輪胎、車架并不位于同一平面上,存在一定的透視失真,因此測量誤差相對較大,為10 mm.因此,本文提出一種基于面結構光的貨車側面防護裝置尺寸檢測方法,避免了由于車輛構件空間深度的差異帶來的透視失真,從而提高了側面防護裝置的檢測精度.

1 測量系統(tǒng)結構與測量原理

本實驗測量系統(tǒng)由面結構光光源、CCD攝像機兩部分組成,其檢測原理見圖1.

圖1 結構光三維測量原理Figure 1 Structured light 3-D measuring principle

為了檢測車輛構件的空間位置,系統(tǒng)采用條紋狀結構光,條形光的投影位置與車輛構件的三維空間位置相關,通過結構光三維測量原理[4],實現(xiàn)車輛構件位置的三維空間編碼;采用CCD攝像機采集信息,根據(jù)攝像機的小孔模型[5],CCD成像平面上的點,與經過該點及攝像機光學中心的空間直線相對應,結合編碼信號和空間直線可以直接反演出車輛構件上所有點的空間信息,并經計算機進行處理后,獲得貨車防護裝置的安裝位置信息.

為了提高檢測精度,必須在檢測前,對不同測量距離的結構光編碼信息及攝像機進行標定[6-7].CCD拍攝點的圖像坐標(u,v)(pixels)與其三維空間坐標(mm)之間的轉換關系為

s[uv1]T=AM[XwYwZw1]T.

(1)

式(1)中：s—比例系數(shù),A,M分別是攝像機標定后的內、外參數(shù).

通過式(1)可知,圖像上的每個像素點對應于三維坐標系中一條直線.因此需要配合面結構光光源的投影線平面,共同匹配出的點的三維坐標.采集的圖像解相后,根據(jù)CCD的絕對相位值可以求得面結構光光源對應的絕對相位值為

(2)

式(2)中:up—三維點在面結構光光源上絕對相位值,φ—在CCD圖像上的絕對相位值,N—面結構光的條紋周期數(shù),W—面結構光在水平方向上的像素值.

被測物體上的P點,對應于光源坐標系中的相位為up的直線.得到三維點在光源上的絕對相位值up后,根據(jù)式(1)圖像上像素坐標與三維坐標的轉化關系,求得其對應的線所在的投影平面.CCD上像素點對應的一條空間直線和面結構光光源上絕對相位對應的投影線平面(圖1)的交點即為P點的三維坐標.根據(jù)式(1)可以得到空間直線和投影線平面的方程

(3)

式中:U1,U2—空間點在CCD像素平面和面結構光像素平面上的坐標,A1,M1—攝像機標定后的內、外參數(shù),A2,M2—面結構光標定后的內、外參數(shù),X是世界坐標.

實際檢測過程見圖2,當貨車車頭進入檢測區(qū)域時,超聲波探測器1的測距值明顯減小,發(fā)出脈沖,提醒控制器有貨車通過,控制器打開結構光光源,并定時發(fā)送觸發(fā)信號,控制CCD攝像機拍攝貨車側面圖像,并傳送給計算機,由計算機存儲并自動識別貨車側面車輛構件信息,實現(xiàn)貨車防護裝置安裝位置的檢測.直至超聲波探測器2檢測到貨車車尾離開工作區(qū)域,此時檢測過程結束.當下一輛車進入工作區(qū)域時,各儀器再次工作.

1—工作區(qū)域;2—超聲波探測器2;3—側面防護裝置;4—攝像機;5—光源;6—超聲波探測器1圖2 測量結構示意圖Figure 2 Diagram of the measuring structure

2 實驗研究

2.1 結構光空間編碼標定

圖3 結構光線條紋空間編碼Figure 3 Space coding of the structure light stripes

結構光光源發(fā)出的各條結構光信息,在不同距離時,其位置及由深度信息引起的變化量不同,因此檢測前必須對每一條結構光進行標定.標定采用平板作為遮擋物,標定時必須保證平面遮擋物與CCD攝像機成像面平行.根據(jù)車道和車輛的特性,確定深度的標定范圍為800 mm～1 500 mm,取深度步長為50 mm,在深度空間中移動平面遮擋物,采集各個標定深度的數(shù)字圖像,送入計算機進行分類處理.圖3是不同距離處的結構光線條紋空間編碼.

由圖3可以看出,平板在不同的空間位置,其線條紋結構光的位置不同,離CCD攝像機近則條紋的u值大,離CCD攝像機遠則條紋的u值小.根據(jù)條紋上點的u值就能直接確定該點的空間深度.

前五條條紋深度信息與相移量的對應關系如表1.

表1 拍攝距離與相移量的對應關系

Table 1 Relationships between the shot distances and the phase-shift

距離/mm各條紋到相對參考邊界的相移量/Pixel012341500291500494561640145029350149656564514002985055015706531350306513509582668130031752452059768312503325395356177031200352559556641728115038158858567476111004356426397318191050514617721815905100061371782391910109507428479541048114290089610021104120112998501062116712701371146980012531369148215851696

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)能擬合[8]出各線條紋空間深度和成像位置的曲線,圖4是第一條條紋空間深度與成像位置的曲線.

圖4 第一條條紋空間深度與成像位置的曲線Figure 4 Curve of the space depth and imaging position of the first stripe

2.2 貨車側面防護裝置檢測實驗

為了驗證本文實驗方法的可行性,對貨車側面防護裝置進行現(xiàn)場檢測.實驗系統(tǒng)(圖1)中CCD攝像機垂直于貨車側面所在平面,兩者之間的距離是1 200 mm,且CCD與X軸正向的夾角為90°;激光器光源距離貨車側面也是1 200 mm,且與X軸正向的夾角為150°.實驗過程中,首先打開CCD和光源,再進行拍攝靜止狀態(tài)下的貨車側面,然后拍攝人工推動下貨車側面的各個狀態(tài)信息、并重復推動車輛進行多次拍攝,最后整理各圖像信息、分類處理.采用上述實驗方案獲得的側面圖像如圖5.

圖5 試驗現(xiàn)場圖像Figure 5 Image of testing

對CCD攝像機采集的圖像進行灰度閾值分割、邊緣檢測[9]、Hough變換[10]、特征提取等處理,獲得車輪、防護欄的準確位置和邊緣信息,在這些邊緣點上尋找線結構光編碼信息,通過線結構光編碼信息,獲得這些邊緣點的空間深度數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)車輪及防護欄邊緣點三維坐標的反演,表2為圖5中的A,B,C,D,E,F點的坐標,它們分別代表車輪接觸地面點、車輪最右側點、防護欄最左側點、防護裝置上部最高點、防護裝置下部最低點、車架構件最低點.

表2 目標點的三維坐標

Table 2 Three-dimensional coordinate of the objects mm

點XwYwZwA-456.45225.61-1231.49B-57.831.53-1230.51C445.79-98.70-1261.31D595.92-299.07-1222.99E516.35101.93-1222.98F395.15464.57-1199.43

通過表2中車輪及防護欄邊緣點的三維坐標,可以計算出防護裝置到貨車后車輪、地面及車架的距離Δx1,Δy1,Δy2.用白光三維掃描儀測得實際距離作為真值,進行對比,其測量結果見表3.

表3 目標物體之間的三維空間距離

從表3可以看出,本次測量尺寸的最大誤差為2.93.由于車輛通過車道的位置和角度是不同的,為了對實際情況進行模擬,同一被測貨車采用不同位置和角度通過測量位置,10次測量的結果如表4所示,根據(jù)表4可知,三個被測尺寸的測量數(shù)據(jù),其最大偏差為2.96,最小偏差為0.17,10次測量的平均測量偏差為1.73,標準差為0.73.

表4 重復性實驗測量數(shù)據(jù)及其誤差

Table 4 Repetitive experimental data and measurement errors mm

根據(jù)上面實驗可以看出,本方法采用結構光與CCD攝像機相結合的方法,避免了原有視覺方法測量過程中輪胎、防護裝置及車架構件的深度不同帶來的透視失真,消除了理論誤差,因此測量精度大大提高,采用本方法貨車防護裝置安裝位置測量誤差小于3 mm,與本課題組前期提出機器視覺檢測方法的測量誤差(10 mm)相比[11],本方法測量誤差不到原方法30%,如對本方法中條紋的空間深度進行細化標定,并采用亞像素圖像處理算法,還可以進一步提高測量精度.

3 結 語

本文提出的面結構光三維測量原理實現(xiàn)了貨車側面防護裝置安裝尺寸的精確測量,從原理上避免了車身構件的空間位置差異帶來的透視失真.

通過多次實車實驗,證明采用本方法進行貨車側面防護裝置安裝尺寸測量時,測量誤差小于3 mm,和原方法10 mm的測量誤差相比,測量精度明顯提高.

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Installing dimension measurement of side protective guards of trucks based on surface structure light

HE Yangyang, GUO Tiantai, WANG Yingjun, KONG Ming

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A method to measure the size parameters of the protective guard at the side of trucks was proposed based on surface structure light and the laser triangulation principle.The light stripe structure was projected through a vision device, which was designed to project onto the sides of the truck. The structure light information was collected by the vision device and processed with computer to obtain the three-dimensional information of the truck side protective guard and the wheels. The size of the truck side protective guard could be measured based on the information. The experiment platform was built. The detection error of this method was less than 3 mm, which was superior to that of 10 mm of the original visual method. It suggusts that the new method has higher measurement accuracy.This method avoids the measurement error brought by the distance errors of the visual device to the protective device and the wheels.

surface structured light; light stripe structure; side protective guard; size measurement

1004-1540(2015)02-0161-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.007

2014-12-01 《中國計量學院學報》網址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專項(No.201310116).

TP291

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